基于自由摆的平板控制系统设计

常春霞 郭瑞岩

摘 要：实现基于自由摆的平板控制系统的设计要求，以SPCE061A单片机为主控制器，以1‰精度单圈电位器为角度传感器，配以16位高精度模数转换器AD7705实现角度测量，采用步进电机做为执行机构，配以能16细分的TB6560为电机驱动芯片，实现0.1125？觷步进角，从而构成闭环控制系统。实验表明，系统完全达到了设计要求，还增加了多种创新功能。

关键词：SPCE061A；1‰精度电位器；AD7705；TB6560

中图分类号：U671 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）23-0008-021 系统设计方案框架

1.1 方案框架

1.1.1 主控制器的选择

采用SPCE061A单片机来实现，运算速度高，带语音功能，易于在线仿真调试。

1.1.2 传感器的选择

采用1‰精度单圈电位器WDD35D，将摆杆摆动转换为电位器转动，只要测量输出电压的变化即可确定角度。电位器有高线性度和基本无需反应时间即可跟踪摆杆的特点。

1.1.3 AD转换器的选择

采用16位模数转换器AD7705。分辨率为1/65 536，最小可识别电压为0.000038 V，最小可识别的角度为0.002？觷，精度可达系统要求。

1.1.4 电机的选择

由于步进电机可以进行精确角度控制，并能记住位置，自己构成闭环控制，可实现设计要求。

1.1.5 电机驱动的选择

常用步进电机步进角1.8？觷，为实现精确控制，需选用16细分驱动器。TB6560驱动芯片，可实现双向控制，且具有耐压40 VDC，电流3.5 A（峰值），多种细分可选（1/1、1/2、1/8、1/16）和衰减方式分段可调等优点。

1.1.6 其它电路选择

系统采用常用OCMJ4×8 C液晶显示，选择1*4行列式键盘，采用凌阳单片机自带语音功能。

1.2 系统设计

以SPCE061A凌阳单片机为主控制器，以1‰精度单圈电位器为角度传感器，配以16位高精度模数转换器AD7705实现角度测量，采用步进电机做为执行机构，配以能16细分的TB6560为电机驱动芯片，实现0.1125？觷步进角，从而构成自由摆控制系统，并增加了液晶显示和语音播报等功能。

1.3 结构框图

自由摆控制系统结构框图如图1所示。

2 理论分析与计算

2.1 摆杆角度的测量方法

如图2所示，经实际测量，摆杆在0？觷，90？觷，180？觷位置时，电位器电压值分别为U0、U1、U2。则摆杆与水平面的夹角为：a=180？觷×（U-U0）/（U3-U0）。其中U为AD转换得到的电压。

2.2 基本部分

2.2.1 基本部分1——平板跟随自由摆转动

如图2所示，假设摆杆的初始角度为？茁，则当平板由初始位置转到竖直位置时对应的步进电机转动90？觷。在执行程序时，时刻对电位器的输出电压做AD转换，进而转换成摆杆的角度，将两次测量的角度结果相减，从而求出步进电机应转动的角度。公式为Δ=90？觷×（a1-a2）/？茁，其中Δ为步进电机应转动的角度，a1、a2分别为两次测量的摆杆与水平面的夹角。

2.2.2 基本部分2——平板带硬币自由摆动

经测试，当平板与摆杆垂直时，摆杆摆动时硬币不会滑落。于是我们讨论后决定以下方案：放下摆杆后，在很短的时间内使摆杆与平板垂直，此后步进电机不再转动。如图2所示，步进电机8细分时步进角为0.225？觷，转动步数公式为：step=？茁/0.225？觷。

3.1 硬件电路设计

3.1.1 角度测量电路

电位器WDD35D的阻值改变引起电压的改变，通过AD7705进行AD采样转换，将转换后的电压输入单片机，单片机将电压值转换为角度值。

3.1.2 步进电机驱动电路

通过TH6560AHQ芯片驱动步进电机转动，进而控制平板的状态，使平板转动或保持角度状态。

3.2 软件设计与工作流程图

3.2.1 软件设计

软件实现的功能如下：平板随摆杆旋转3～5周子程序；平板带硬币自由摆动子程序；平板带激光笔指向中心线子程序（摆杆静止）；平板带激光笔指向中心线子程序（摆杆自由摆动）等。

3.2.2 部分工作流程图

系统部分流程图如图4、图5所示。

4 测试方案与测试结果

4.1 测试仪器

4位半数值万用表胜利VC9807+、量角器、秒表。

4.2 基本部分功能测试

基本部分功能包括：实现了摆杆摆动一个周期，平板旋转一周的功能；在摆角为30？觷～45？觷时，实现了一枚硬币在5个摆动周期内不从平板滑落的功能；在摆角为45？觷～60？觷时，实现了八枚硬币在5个摆动周期内不从平板滑落的功能。

4.3 其他功能测试

其它功能测试结果如表1、表2所示。

4.4 创新部分功能测试

在本次设计中，出了完成题目要求外，还完成了一些创新功能：平板随摆杆旋转12周而角度偏差<45？觷；平板带12枚硬币80？觷时自由摆动12个周期内不从平板滑落的功能；在平板转动过程中，平板转动位置到会有语音提示；用液晶实现实时显示摆杆角度。

①平板随摆杆旋转12周而角度偏差<45？觷的测试如表3所示。

②平板带12枚硬币自由摆动实验测试如表4所示。

③语音提示功能测试。在每次旋转实验中，平板转到设定位置有语音提示。语音功能测试成功。

④液晶实时显示摆杆角度。实验中，当摆杆自由摆动时，LCD实时显示出摆杆的摆角。显示功能测试成功。

5 结 语

通过测试，系统完全达到了设计要求，不但完成了基本要求发挥部分的功能，并增加了多个创新功能，如基本部分平板跟踪自由摆转动达12圈，平板上放置12枚硬币80？觷角时实现自由摆动不掉落，语音提醒等功能。

参考文献：

[1] 李晓白.凌阳16位单片机C语言开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[2] 薛钧义.凌阳十六位单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.